《机械工程控制基础》理实一体化教学方法

任立敏，谭益松，关山，苏天一

摘 要：由于新工科项目对工科学生的能力培养提出了更高的要求，机械工程控制基础课程组积极响应提高工科学生的工程素养和实践能力的号召，提出了基于虚拟仿真实验平台的理实一体教学方法，将虚拟实验平台融入理论教学过程，实现理论教学和实践教学的无缝衔接，满足真正意义上的“教、学、做”一体化的教学要求，进而提升教学效率和教学效果。

关键词：机械工程控制基础；虚拟仿真平台；理实一体

2017年2月，教育部积极推进“新工科”建设^[1,2]，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件^[3]，全力探索中国模式工程教育，在全国高校范围内深入系统地开展新工科研究和实践。东北电力大学机械工程学院积极响应教育部和学校的号召，努力在工科专业课程的教学过程中引入“新工科”教育理念，全面提升本校工科人才培养的教育质量和教学效果。然而，现阶段的“新工科”建设关于创新型工程人才培养的讨论主要集中在创新型工程人才培养定位、影响创新型工程人才培养的因素以及探索如何更好地培养创新型工程人才等方面，其具体的培养规格、课程设置、教学组织形式和考试制度等一系列问题研究较少。本文拟通过对当前“新工科”项目发展过程中学生能力的培养要求进行研究分析基础上，进行基于虚拟仿真实验平台的 “机械工程控制基础”理实一体教学方法改革，以着重培养学生的工程意识、实践能力等综合素质为原则，以启发学生的创造性思维，激发学生学习“机械工程控制基础”课程的学习热情，为同类地方高等院校机械专业工程教育创新人才培养提供一定的参考思路。

1. 机械工程控制基础教学现状分析

《机械工程控制基础》是机械类各专业本科学生的一门重要专业基础课。该课程的理论性和实践性都比较强，课程涉及高等数学、大学物理、电路、力学等很多门学科，有些理论内容比较抽象，因此怎样既能激发学生的学习热情、又能传授知识、培养学生的工程实践能力和创新能力一直是本专业教师所关注和探讨的问题。根据作者多年的教学经验发现目前该课程存在的主要教学问题为：①教学方式单一 由于受到教学实验条件的限制，一些需要课堂演示的内容，只能用几张图片或简单的多媒体课件来代替，即使有条件看到实际设备，也是老师边讲边操作，只有少数学生才有机会看得清楚。课堂上应有的高效率教学活动变为填鸭式的灌输，内容枯燥且难以理解，影响了应有的教学效果，培养出了大批重理论、轻实践，重继承、轻创新的学生。②理论教学与工程实际脱节 由于实验系统的构建模式不够完善，往往只能开设一些传统的验证性实验，且配套实验设备多数模块化，这种配置方式直接导致实验项目有限，实验内容固定，学生很难参与其中的细节设计，学生在实验课程学习中不是整个实验过程的主体，而仅仅是停留在根据老师的演示和讲解，根据实验讲义上的操作步骤进行简单模仿的层面上，实验过程类似“搭积木”，学生的动手能力和创新思维能力没有得到有效的训练和培养。以上状态极大的阻碍了学生动手能力的提高和创新性思维的开发，不利于学生进行研究性学习。为此，迫切需要在教学中探讨新的教学方式，目的是将抽象的理论可视化，帮助学生更好地掌握理论知识，培养学生利用控制系统理论和方法解决实际控制问题的能力。

2. 基于虚拟仿真平台的理实一体化教学方法

为了适应“新工科”背景下工程教育的需要，提出基于参数化教学平台的理实一体“机械工程控制基础”教学方法改革，旨在探索将理论与实践融为一体的核心教学模式，倡导以学生为主体的创新性教学、实验改革方法，调动学生学习理论课程的积极性、主动性和创造性，最大限度的开展研究性学习，激发学生的创新思维和创新意识，提升学生的工程实践能力和创新能力。

2.1研究思路

基于“新工科”项目建设，本课程组针对机械工程控制基础课程的主要内容和相关知识点进行分类教学，提出“微课预习+传统授课方式+课堂总结归纳+课上课后练习+参数化平台实践”的理实一体教学法，注重剖析重难点内容，关注知识点之间的关联性和逻辑性，帮助学生创建有效的学习方法，正确的解题思路和解题策略，以及准确的控制理论编程语言的编译方法，可有效提高学生的学习效果，强化学生的认知能力，增强学生的学习兴趣，增强其分析和解决复杂机械工程控制领域的工程问题的能力。

2.2实施步骤

首先，在课堂教学时针对本课程涉及的数学理论较多、理论性强、学生难以将公式的内涵和意义与实际工程应用相联系的问题，将抽象复杂的教学内容划分成几个模块，具体包括基础理论模块、性能分析模块、实际应用模块以及操作虚拟仿真平台模块，在理论教学过程中严格按照这一主线进行理论知识的传授，让学生自己建立适合自己的学习系统，真正做到“授学生以渔”。这样就会避免使大量的推理、运算等掩盖课程的实际工程性。

其次，本课程的教学目标之一就是提升学生的工程素养和实践能力。这一教学目标与加涅提出的“认知策略”和新工科项目所期望的教育理念十分贴近。本文对常规的课堂教学模式进行革新，通过引入微课教学、引入教师科研项目和引入参数法仿真教学平台等几方面，建立以应用型人才培养为目标的“微课预习+传统授课+课堂总结+课后练习+虚拟仿真平台实践”的理实一体课程教学程序框架。通过这一举措有效提高学生的学习效果，强化学生的认知能力，增强学生的学习兴趣。

最终，本课程十分注重学生对于理论与实践之间的无缝衔接问题。为了获得更好的教学效果，本课程组成员围绕提升学生智慧技能与动作技能开展了一系列探索。课程组授课教师引导学生利用开发的《控制工程基础》参数化仿真教学平台，针对控制系统中的数学模型、时域分析、频域分析、系统稳定性分析、系统校正等内容展开实践训练。该仿真平台采用参数化的设计方法，完全仿真实际控制系统中的各种控制电路，在教学、实验中可以灵活地改变各种参数，反复观察实验结果，并显示响应的波形及各种性能指标，学生可以从实验过程中学习，体验控制系统理论知识在实践过程中的分析过程，在获得丰富的感性认识的同时充分理解理论所学。

2.3改革特色

仿真平台的应用突破了传统实验对时间、空间和学生人数的限制，无论是学生还是教师，都可以自由、无顾虑地随时随地进入虚拟实验环境，进行各种实验，提高教学效率。通过上述理实一体化教学方法的实施，学生能够全面了解控制理论在工程实践中的运用方法，真正学会利用控制理论的固有辨证方法解决机械制造领域的实际问题。

3. 结束语

面对“新工科”项目建设的挑战，本课程组提出采用基于自行开发的控制工程基础仿真教学平台的理实一体教学方法，注重学生实践教学能力的培养，将虚拟实验平台融入理论教学过程，实现了理论教学和实践教学的无缝衔接。将学习过程与实践、操作相结合，强调学生对所学知识、技能的实际运用，有利于激发学生的创新思维，提高学生的学习兴趣，进而提升教学效率和教学效果。

参考文献

[1]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017，(3)：26-32.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，(3)：7-12.

[3]高丽霄，李莉.“互联网+出版”助力新工科人才培养[J].出版参考，2018，788(10)：58-59.

作者简介：谭益松（1982-），男，汉族，山东省烟台市人，东北电力大学机械工程学院副教授、博士，机电一体化课程组专任教师

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